最新消息|李儒新：羲和，中国自己的强激光( 五 ) 李儒新：羲和，中国自己的强

如此强大的激光设备能够创造如此极端的能量条件，让我们有可能去理解一些基本的物理学的问题。

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XFEL与100PW超强超短激光相结合，可提供探索强场QED真空、QED等离子体等重大基础科学问题的条件，将XFEL的科学探索领域向下突破到原子核、真空体系，向上拓展到天体物理与宇宙学。科学发现机会显著增加。
《科学》杂志曾提出一个所谓“125个科学问题”，其中有一个问题就是：激光最强能够有多强？可能我们的观众也想问，我们建了羲和一号、羲和二号，从十个太阳变成一百个太阳，难道以后还要建一千个太阳这样的装置吗？激光的强度有没有极限？答案是：有的。原因就来自量子场论认为真空并不是空的。量子场论的观点认为，真空是一片粒子的海洋，不断有正反粒子对产生和湮灭。这个现象在之前并没有实验去验证过。一个月前（本报告演讲时间为2021年9月）在美国的布鲁克海文实验室，科学家们用重离子加速器把金离子加速到两千亿个电子伏特，然后让两个金核对撞，并且故意让它偏一点使得原子核之间无法撞到。但是金原子核周围有非常强的电磁场。电磁场可以等效为光子云，然后他们使得光子云对撞，结果发现产生了正负电子对。这一实验是利用没有静止质量的光子（能量）产生了有静止质量的物质。其实爱因斯坦的质能方程是预言过这一结果，因为。能量（）在左边，光速的平方在右边，由于光速很大，所以质量变成能量比较容易，比如核能，但反之则很困难。需要巨大的能量才能创造很小的质量。因此直到一个月前布鲁克海文实验室才宣布首次在实验中实现能量转化为物质。但是这个实验没有实现真正的光子对撞，而是所谓虚光子的对撞。
而我们当初设计“羲和二号”的时候就想回答这个问题，是不是当激光足够强的时候，就会产生质量。但是实验装置如此庞大，导致我们要花七年时间，自2018年动工要到2025年才能建成。早在2017年，CERN已经得到过类似的结果，但最近布鲁克海文实验室的实验更加有说服力。这更加坚定了我们的信心：这个方向看来是正确的，也许还有一些规律不为我们所知。
如果是光强到一定程度就开始产生有质量的粒子，那么光能量就达到了上限。我们想知道这个上限到底是多少？这个实验的理论依据来自量子电动力学，理论预言很强的电磁场会使得真空具有双折射的能力。双折射现象在生活中早就得到了很多应用，例如看3D电影用的眼镜。

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论文报道了对一个外号为“七剑客（Magnificent Seven）”的中子星的可见光观测，发现偏振度大约为16%的线性极化现象，声称第一次发现了量子电动力学预言的真空双折射现象：在强磁下的作用下，真空会表现得像双折射晶体一样，使得光子的偏振在传播过程中产生改变。
2017年的时候，天文学家通过望远镜观测发现，到达地球的中子星发出的光不是各向同性的。这与大家之前的推测不一致。而量子电动力学可以解释这个现象：中子星周围有很强的磁场，光在磁场中发生了双折射，因此失去了各向同性。而我们当时就想用我们的“羲和二号”在实验上把这些物理过程搞清楚。
那么“羲和二号”能不能到达我们光强的极限？施温格是量子电动力学的另一位奠基者，他提出了施温格电场的极限：在（瓦特/平方米）这么强的电磁场中，真空就会产生双折射。但是“羲和二号”只能够达到到（瓦特/平方米）量级。所以当时我们就提出了一个非常巧妙的设计：把“羲和”一号和二号的光作用在一起。